Рама (автомобиль) | это... Что такое Рама (автомобиль)? (original) (raw)

Рама автомобиля Land Rover III. 2008 год.

У этого термина существуют и другие значения, см. Рама (значения).

Ра́ма — разновидность несущей системы автомобиля[1], остов для крепления кузова и агрегатов[2].

У автомобилей с несущим кузовом либо функции рамы выполняет сам кузов (обшивка с местным усилением), либо рама (или заменяющие её подрамники) конструктивно объединена с кузовом[2] и не может быть от него отделена без нарушения структурной целостности (последний вариант иногда выделяют в отдельный тип автомобилей с интегрированной рамой). К отдельной раме кузов обычно крепится при помощи кронштейнов на болтах с толстыми резиновыми прокладками, служащими для уменьшения уровня вибраций, воздействующих на водителя и пассажиров.

К раме, как правило, крепятся все основные агрегаты автомобиля — двигатель, трансмиссия, мосты, подвески, рулевое управление. Вместе они образуют шасси. Рамное шасси представляет собой законченную конструкцию, которая, как правило, может существовать и передвигаться отдельно от кузова.

В настоящее время рамные шасси применяют главным образом на тракторах и грузовых автомобилях, но в прошлом многие легковые автомобили также имели рамное шасси. Также отдельную раму часто имеют «жёсткие» внедорожники.

В автомобилестроении различают следующие виды рам: лонжеронные, периферийные, хребтовые, вильчато-хребтовые, несущее основание, решётчатые (они же трубчатые, пространственные).

Содержание

История

Рамы появились на заре развития автомобильной техники. Отдельная рама была чисто автомобильным решением несущей системы, причём идея был позаимствована у железнодорожного транспорта, так как конные экипажи обходились деревянным каркасом кузова из-за существенно меньших нагрузок.

Изначально рамы делали из твёрдого дерева, реже — круглых металлических труб.

В первое десятилетие XX века получили повсеместное распространение рамы из штампованных профилей прямоугольного сечения, на грузовиках их конструкция и до нашего времени изменилась лишь в деталях.

В 1915 году Х. Хэйз (H.J. Hayes) предложил несущий кузов, выполняющий функции рамы. Реализована на практике эта идея была намного позже. В последующие годы несущие кузова получают всё большее распространение, и перед Второй мировой войной они уже были достаточно привычны. Массовыми они стали уже в послевоенный период.

В двадцатые годы чехословацкая фирма «Татра» разработала хребтовую раму, применив её на ряде легковых и грузовых моделей. Широкого распространения за пределами чехословацкого автопрома эта схема, впрочем, не получила (единственным без всяких оговорок массовым примером её использования «в чистом виде» был Фольксваген Жук, но его конструкция была частично скопирована как раз с разработок «Татры», что в послевоенные годы было подтверждено в ходе судебного разбирательства).

В тот же период времени появляются первые кузова с пространственной рамой, первым примером была Lancia Lambda 1922 года (иногда считается первым автомобилем с несущим кузовом, но скорее она имела трубчатую пространственную раму). Разработчики были вдохновлены конструкцией лодочных корпусов.

Практически одновременно на фирме «Обёрн» («Auburn») в США была создана лонжеронная рама с Х-образной поперечиной, объединявшая высокую крутильную жёсткость и относительную лёгкость.

Несущий кузов автомобиля Nash 1942 года.

В тридцатые годы в Европе всё больше производителей легковых автомобилей отказываются от рамы, применяя на своих конструкциях самонесущий кузов — но это ещё не были несущие кузова в полном смысле этого слова: в оконечностях их несущую структуру всё же образовали подрамники — своего рода короткие лонжеронные рамы, приваренные или, чаще, притянутые к кузову болтами.

Некоторые европейские автомобили тех лет, например довоенный Ford Prefect или КИМ-10, имели сильно облегчённую раму, которая хотя и была физически отделена от кузова, но сама по себе не имела достаточной жёсткости для восприятия возникающих при движении автомобиля нагрузок, делая это лишь в сборе с полунесущим кузовом; такая рама служила для облегчения сборки автомобиля на заводе — на конвейере сначала к раме крепили все агрегаты, а затем её уже в подсобранном виде крепили к кузову.

Однако в США тех лет по прежнему большинство производителей продолжают выпускать автомобили с рамным шасси, во многом — из-за традиции ежегодного обновления дизайна: при рестайлинге меняли кузов, но рама могла оставаться практически без изменений многие годы. Американская фирма Nash, напротив, перешла на несущие кузова, но это её и сгубило: «Нэш» не поспевал за заданными лидерами рынка форсированными темпами обновления дизайна модельного ряда, так как в случае несущего кузова это было очень сложной и дорогостоящей задачей.

После Второй мировой войны, в Европе новые легковые модели строят преимущественно с несущими кузовами, в Америке же большинство производителей сохраняют приверженность отдельным рамам. По конструкции они были в целом подобны довоенным, — в большинстве случаев использовался тип с мощной Х-образной центральной поперечиной, — за исключением изменений, необходимых для установки независимой передней подвески (которая стала фактически стандартом на послевоенных легковых автомобилях) и некоторого снижения высоты лонжеронов относительно земли для облегчения входа и выхода из машины.

К 1948 модельному году американская фирма «Хадсон» (Hudson Motor Car Company) создаёт линейку моделей Step-Down («Шаг вниз»), у которых мощные пороги цельносварного несущего кузова, имевшего коммерческие обозначение Monobilt, по бокам охватывали пассажирский салон, пол которого был прикреплён к ним снизу. Входя в такую машину, человек переносил свою ногу через высокий порог, сначала поднимая её на его уровень, а затем опуская на десяток сантиметров до уровня пола (именно отсюда — «шаг вниз»); для тех лет это было очень необычно, так как у автомобилей с отдельной лонжеронной рамой пол пассажирского салона располагался непосредственно над её лонжеронами, на одном уровне с порогами. У «Хадсонов» на таком уровне располагались лишь поперечины силового набора кузова, расположенные под сидениями и не мешающие размещению пассажиров в салоне. Более низкое расположение пола пассажирского отделения позволило на тот же десяток сантиметров опустить и сидения, и крышу; автомобиль получился очень приземистым для тех лет, визуально более динамичным и обтекаемым, а расположение пассажиров — более рациональным. В такой кузов уже не входили, как в карету или автобус, а садились. При езде по неровной дороге пассажиров меньше укачивало, а крены в поворотах уменьшились, так как центр тяжести автомобиля была расположен ниже. По управляемости «Хадсон» не имел равных среди американских полноразмерных автомобилей до середины пятидесятых годов. Наконец, расположенные по бокам от салона мощные пороги хорошо защищали водителя и пассажиров при боковом столкновении.

В течение первых нескольких лет своего выпуска «Хадсоны» с несущим кузовом были коммерчески вполне успешными автомобилями. Однако со временем конкурентами были представлены модели с усовершенствованной конфигурацией отдельной рамы, которые приближались к ним по эксплуатационным качествам, но имели более современный дизайн, который можно было без серьёзных вложений варьировать каждый год не меняя несущей рамы, в то время, как любое серьёзное видоизменение несущего кузова «Хадсонов» затрагивало его несущие структуры и требовало по сути полного перепроектирования, что в до появления компьютеров и САПР было весьма непростой задачей. В результате уже во второй половине пятидесятых годов фирма «Хадсон» сошла со сцены, не сумев выдержать заданных конкурентами темпов обновления модельного ряда.

Более рациональным решением на тот момент оказался примененный ещё в довоенных моделях несущий кузов, у которого в оконечностях несущая структура представлена подрамниками, а внешние панели обшивки выполняют преимущественно декоративную функцию и крепятся на болтах, а не сваркой. Характерной в этом отношении может считаться конструкция несущих элементов кузовов отечественных автомобилей «Победа» ГАЗ-М-20 и «Волга» ГАЗ-21: хотя их кузов и считался самонесущим, в его оконечностях имелись полноценные лонжеронные подрамники в виде коробчатых профилей, причём передний подрамник был конструктивно отъёмным и по сути представлял собой короткую, идущую до середины автомобиля, раму (причём именно так он и именовался в заводской документации). Задний подрамник был уже приварен к полу салона и багажного отделения и конструктивно не отделялся, но по конструкции всё ещё повторял заднюю часть обычной лонжеронной рамы.

На рубеже пятидесятых и шестидесятых годов некоторые фирмы пытались экспериментировать с более лёгкими хребтовыми и Х-образными рамами; например, в СССР Х-образную раму имела «Чайка» ГАЗ-13 1959 года, а в Америке — полноразмерные модели GM конца пятидесятых — первой половины шестидесятых. Но основная масса легковых автомобилей с рамным шасси сохраняла лонжеронные рамы, как правило — с Х-образной поперечиной, как у довоенных автомобилей, что предопределяло сравнительно высокое расположение пола пассажирского салона и центра тяжести.

Массовое распространение периферийных рам в США приходится на середину шестидесятых годов, что совпадает с массовым уменьшением высоты легковых автомобилей до разумного предела в 1300…1400 мм. Пассажирский салон, размещённый полностью между лонжеронами рамы, позволил придать кузову красивые пропорции, не поступившись простором. По эффективности использования пространства и рациональности размещения пассажиров автомобили с периферийной рамой лишь незначительно уступали несущему кузову, при этом в полной мере сохранялись возможность ежегодного рестайлинга без затрагивания несущих структур, сравнительная дешевизна сборки автомобиля, простота кузовного ремонта и иные преимущества отдельной рамы. Кроме этого, широко расставленные лонжероны в центральной части позволяли значительно улучшить пассивную безопасность при боковом ударе: у обычного автомобиля с лестничной лонжеронной рамой пассажиров сбоку защищают лишь сравнительно слабые и тонкие внешние пороги кузова (rocker panels), у машины же с периферийной рамой — мощные лонжероны, играющие ту же роль, что и короба (внутренние пороги) у несущего кузова. С той же целью повышения пассивной безопасности в начале семидесятых годов в конструкцию рам американских автомобилей начинают вводить элементы запрограммированной деформации; например, на автомобилях Ford в передней части рамы появился S-образный деформируемый элемент, гасящий кинетическую энергию при ударе.

Марки же, принадлежащие Chrysler Corporation, в тот же самый период перешли на несущие кузова с длинным отдельным подрамником в передней части, прикреплённым к кузову на манер отдельной рамы — через толстые резиновые прокладки.

Рамы легковых автомобилей и внедорожников с середины шестидесятых — семидесятых годов и до настоящего времени практически не претерпели изменений, совершенствовались лишь технология производства (например, на новейших моделях рама изготавливается методом штамповки эластичными средами — «хайдроформинг»), а также заложенные в конструкцию рамы элементы пассивной безопасности (зоны запрограммированной деформации, более прочные крепления кузова, и так далее). Однако с тех пор их распространённость значительно уменьшилась: если ещё в конце семидесятых основная масса американских автомобилей, кроме «компактов» (compact cars) и «субкомпактов» (sub-compact cars), имела отдельные от кузова рамы, — то в наши дни это в основном удел больших пикапов и внедорожников, а также редких моделей легковых автомобилей, конструктивно восходящих к семидесятым годам — например, Ford Crown Victoria и Lincoln Continental.

Несущий кузов, напротив, ждал длительный эволюционный процесс. В конце пятидесятых — шестидесятых годах появились несущие кузова, у которых подрамники отсутствовали, а нагрузки воспринимались уже исключительно внутренней обшивкой кузова (в основном полом и брызговиками крыльев), имеющей различные усилители в наиболее нагруженных местах, а также, в определённой степени, и его внешней обшивкой. Например, в кузове «Жигулей» и их итальянского прототипа Fiat 124 подрамники в виде фрагментов лонжеронной рамы как таковые конструктивно отсутствуют, а силовая структура передка образована нижними частями брызговиков передних крыльев, к которым изнутри приварены усилители в виде П-образных профилей, вместе с ними образующие замкнутое коробчатое сечение и, таким образом, с функциональной точки зрения исполняющие роль передних лонжеронов, на которые снизу крепится балка передней подвески, работающая также в качестве поперечины силового набора кузова. Образующие внешнюю обшивку передка кузова передние крылья и фартук переднего бампера в кузове «Жигулей» приварены к брызговикам, и наряду с ними воспринимают некоторую часть нагрузки, возникающей при движении автомобиля. Таким образом, этот тип несущего кузова является полумонококом — монолитной жёсткой конструкцией, у которой основную нагрузку воспринимает сама обшивка, а каркас максимально редуцирован, облегчён и не может быть физически отделён от обшивки. Это позволило ещё больше облегчить кузов при повышении его жёсткости, повысить его технологичность и удешевить производство, хотя конструкция и стала требовать большее высокой культуры производства, была более сложна в ремонте и менее живуча при эксплуатации по плохим дорогам.

Хотя несущие кузова с отдельными подрамниками и имели определённые преимущества с точки зрения ездового комфорта (в случае наличия между кузовом и подрамником резиновых прокладок), а также простоты и удобства ремонта, тем не менее соображения технологичности массового производства и обеспечения максимальной жёсткости оказались более весомыми, поэтому кузова современных автомобилей главным образом являются представителями именно данной ветви развития.

Современные несущие кузова представляют собой сложные конструкции, сваренные или склеенные из стальных - часто выполненных из высокопрочных легированных сталей - или алюминиевых штамповок и рассчитанные на наиболее эффективное поглощение энергии при деформации во время дорожно-транспортного происшествия, при этом сформированные обшивкой полости-короба вкупе с дополнительным усилением П-образными накладками, трубчатыми элементами, заполнением специальной полимерной пеной, и так далее - образуют вокруг пассажирского салона мощную «клетку безопасности», предохраняющую водителя и пассажиров. Термин «подрамник» по отношению к современному кузову обозначает уже не несущий элемент его конструкции, а лишь крепящийся к несущему кузову снизу облегчённый каркас, на котором для удобства конвейерной сборки автомобиля предварительно монтируются детали передней и задней подвески, двигателя, трансмиссии. Современные несущие кузова как правило не рассчитаны на восстановительный ремонт после серьёзных ударов, так как вне заводских условий невозможно обеспечить соблюдение геометрии кузова и воспроизведение заложенных на этапе его производство мер технологического характера, направленных на повышение пассивной безопасности автомобиля.

Конструкция

Отличительная конструктивная особенность любой рамы — разделение функций несущих (силовых, воспринимающих рабочие нагрузки) элементов кузова и его декоративных панелей. При этом сами декоративные панели также могут иметь свой усиливающий каркас, например, в районе проёмов дверей, но он практически не участвует в восприятии нагрузок, возникающих при движении автомобиля. Классификация рам производится на основании типа используемой в них несущей структуры.

Лонжеронные рамы

Лонжеронная рама с Х-образной поперечиной.

Классический вариант такой рамы напоминает по виду и конструкции лестницу, поэтому в обиходе её иногда могут называть лестничной (ladder frame). Лонжеронные рамы состоят из двух продольных лонжеронов и нескольких поперечин[2], также называемых «траверсами», а также креплений и кронштейнов для установки кузова и агрегатов[2]. Форма и конструкция лонжеронов и поперечин могут быть различными; так, различают трубчатые, К-образные и Х-образные поперечины. Лонжероны как правило имеют сечение швеллера[1], причём обычно переменное по длине — в наиболее нагруженных участках высота сечения зачастую увеличена[2]. Иногда они хотя бы на части своей длины имеют замкнутое сечение (короб). На спортивных автомобилях могли применяться трубчатые лонжероны и поперечины круглого сечения, имеющие лучшее соотношение массы и жёсткости. По распложению лонжероны могут быть параллельны друг другу, либо располагаться друг относительно друга под некоторым углом. Детали рамы соединяются заклёпками, болтами или сваркой. Грузовые автомобили обычно имеют клёпаные рамы, легковые и сверхтяжёлые самосвалы — сварные[2]. Болтовые соединения находят применение обычно при малосерийном производстве[2]. Современные тяжёлые грузовики также иногда имеют рамы, собранные на болтах, что значительно облегчает их обслуживание и ремонт.

Лонжеронная рама имеет обычно небольшую высоту и расположена практически целиком под полом кузова, а последний крепится к её кронштейнам сверху через резиновые подушки.

Лонжеронные рамы применяются практически на всех грузовиках, в прошлом широко применялись и на легковых автомобилях — в Европе до конца сороковых, а в Америке — до конца восьмидесятых — середины девяностых годов. На внедорожниках лонжеронные рамы широко применяются по сей день. Ввиду такого широкого распространения, обычно в популярной литературе под словом «рама» понимают именно лонжеронную раму.

К лонжеронным ряд источников[2] относит также периферийные (часто выделяемые в отдельный тип) и Х-образные рамы (последние другими источниками[3] классифицируются как разновидность хребтовых).

Периферийные рамы

Перевёрнутый универсал «Меркури», видна периферийная рама с широко расставленными в центральной части лонжеронами.

Иногда рассматриваются как разновидность лонжеронных[2]. У такой рамы расстояние между лонжеронами в центральной части увеличено настолько, что при установке кузова они оказываются непосредственно за порогами дверей. Так как слабыми местами такой рамы являются места перехода от обычного расстояния между лонжеронами к увеличенному, в этих местах добавляют специальные коробчатые усиления, в англоязычных странах называемые термином torque box (аналогичные силовые элементы — раскосы — нередко имеются и на автомобилях с несущим кузовом в местах перехода от передних и задних лонжеронов к коробам).

Это решение позволяет существенно опустить пол кузова, разместив его полностью между лонжеронами, а следовательно — уменьшить общую высоту автомобиля. Поэтому периферийные рамы (англ. Perimeter Frame) широко применялись на американских легковых автомобилях начиная с шестидесятых годов. Кроме того, расположение лонжеронов непосредственно за порогами кузова весьма способствует повышению безопасности автомобиля при боковом столкновении. Этот тип рамы использовался на советских легковых автомобилях ЗИЛ высшего класса начиная с модели 114.

Хребтовые рамы

Хребтовая рама грузовика «Татра».

Этот тип рамы был разработан чехословацкой фирмой «Татра» в двадцатые годы и является характерной конструктивной особенностью большинства её автомобилей.

Главным конструктивным элементом такой рамы является центральная трансмиссионная труба, жёстко объединяющая картеры двигателя и узлов силовой передачи — сцепления, коробки передач, раздаточной коробки, главной передачи (или главных передач — на многоосных автомобилях)[2], внутри которой расположен тонкий вал, заменяющий в этой конструкции карданный. При использовании такой рамы необходима независимая подвеска всех колёс, как правило реализуемая в виде крепящихся к хребту по бокам двух качающихся полуосей с одним шарниром на каждой.

Преимущество такой схемы — очень высокая крутильная жёсткость[2], кроме того, она позволяет легко создавать модификации автомобилей с различным количеством ведущих мостов. Однако ремонт заключённых в раме агрегатов крайне затруднён. Поэтому такой тип рамы применяется очень редко, обычно на грузовиках высокой проходимости с большим количеством ведущих мостов, а на легковых автомобилях совершенно вышел из употребления.

Вильчато-хребтовые рамы

Рама довоенной «Шкоды» с подмоторной вилкой в передней части.

Разновидность хребтовой рамы, у которой передняя, иногда — и задняя части представляют собой вилки, образованные двумя лонжеронами, которые служат для крепления двигателя и агрегатов.[2]

В отличие от хребтовой рамы, как правило (но не всегда) картеры узлов силовой передачи выполняются отдельными, и, при наличии необходимости в нём, используется обычный карданный вал. Такую раму имели в числе прочих представительские автомобили «Татра» Т77 и Т87.

К этому же типу часто относят и Х-образные рамы[3], которые другими источниками[2] рассматриваются как разновидность лонжеронных. У них лонжероны в центральной части очень сильно приближены друг к другу и образуют закрытый трубчатый профиль. Такая рама использовалась на советских автомобилях «Чайка» ГАЗ-13 и ГАЗ-14 высшего класса, а также многих полноразмерных легковых автомобилях General Motors конца пятидесятых — первой половины шестидесятых годов.

Несущее основание

В этой конструкции рама объединена с полом кузова для повышения жёсткости[2].

Такую конструкцию имели в числе прочих «Фольксваген Жук» (впрочем, его рама благодаря наличию массивной центральной трубы ближе всё же к вильчато-хребтовой) и автобус ЛАЗ-695. В настоящее время эта схема считается достаточно перспективной благодаря возможности на одной и том же несущем основании строить самые разные автомобили как на платформе.

Решётчатые

Также называются трубчатыми (tubular frame) или пространственными (spaceframe).

Решётчатые рамы имеют вид пространственной фермы из сравнительно тонких труб, часто выполненных из высокопрочных легированных сталей, которая обладает очень высоким отношением крутильной жёсткости к массе[2] (то есть, они лёгкие и при этом очень жёсткие на кручение).

Такие рамы применяют либо на спортивных и гоночных автомобилях, для которых важна малая масса при высокой прочности, либо на автобусах, для угловатых кузовов которых она очень удобна и технологична в производстве.

Основное отличие кузова с пространственной рамой от несущего — то, что у него обшивка является чисто декоративной, часто — из пластика или лёгких сплавов, и вообще не участвует в восприятии нагрузки. С другой стороны — несущий кузов можно рассматривать как разновидность пространственной рамы, где практически всю нагрузку воспринимает обшивка, а собственно каркас, представленный П-образными и коробчатыми усилениями обшивки, до предела облегчён и редуцирован.

Интегрированная в кузов рама (Frame-in-body, UniFrame)

Такая рама повторяет по конструкции обычную, но физически неотделима от кузова, то есть, имеет с ним неразборное сварное соединение.

От обычного несущего кузов с интегрированной рамой отличается тем, что у первого имеются как максимум лишь подрамники в оконечностях, а интегрированная рама имеет настоящие лонжероны, идущие от переднего бампера до заднего. Такой кузов не имеет многих преимуществ отдельной рамы — гашения вибраций, лёгкости кузовного ремонта, простоты создания модификаций с различными типами кузовов на единой раме и других, но иногда оказывается несколько более удобным и дешёвым в производстве, чем несущий кузов, а также лучше воспринимает нагрузки, возникающие при перевозке грузов и движению по бездорожью. Этим и определяет круг использования такой конструкции в современном автомобилестроении — главным образом пикапы и внедорожники (кроме «жёстких»).

Примеры автомобилей с интегрированной рамой — Иж Комби с вваренной в кузов лонжеронной рамой (представляющей собой соединённые дополнительными элементами передний и задний подрамники «Москвича-412»), ВАЗ-2121 «Нива», ЛуАЗ-969, Volga Siber / Chrysler Sebring с также интегрированной в несущую структуру кузова периферийной рамой.

Преимущества и недостатки рамной конструкции

Преимущества

Недостатки

Последнее не относится к решётчатым рамам, которые представляют собой не плоскую балку, а объёмную ферму; однако, у кузова с решётчатой рамой из-за особенностей этого типа несущей структуры двери обычно либо отсутствуют вовсе, либо имеют очень высокие пороги, что делает её малопригодной для автомобилей общего назначения.

Другое дело, что например грузовику или вездеходу, в отличие от дорожного легкового автомобиля, больша́я жёсткость кузова на кручение часто и не нужна; более того — ограниченная способность плоской лонжеронной рамы деформироваться под действием закручивающих сил нередко улучшает проходимость, что наблюдалось в частности на грузовиках ЗИС-5 и ГАЗ-АА, клёпаная рама которых могла при закручивании деформироваться с амплитудой до нескольких сантиметров, что эквивалентно увеличению ходов подвески. Также работающую на скручивание раму имеют автомобили Унимог, причём деформация рамы для улучшения проходимости заложена в конструкцию изначально;

Источники и примечания

  1. ↑ 1 2 Туревский, И. С. Теория автомобиля. — М.: «Высшая школа», 2005. — С. 204. — 240 с.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Гришкевич, А. И. Автомобили: Конструкция, конструирование и расчёт. Системы управления и ходовая часть. — Минск: «Вышэйшая школа», 1987. — 200 с.
  3. ↑ 1 2 3 4 Кленников, В. М., Кленников Е. В. Теория и конструкция автомобиля. — М.: «Машиностроение», 1967. — С. 181-185.